" 初步研究結(jié)果證明，對于表面細(xì)胞運動、分化等行為引起的折射率變化，該微型化芯片有著非常靈敏的反應(yīng)。基于此，可用這款芯片開發(fā)基于細(xì)胞的微環(huán)境檢測器，以進(jìn)行藥物篩選、以及細(xì)胞行為比如細(xì)胞增殖、凋亡、運動等方面的研究。
我們預(yù)計它將迎來廣泛的應(yīng)用前景，并已為它申請了美國專利（US non-provisional application No. 17/846,056）。除用于和細(xì)胞相關(guān)的檢測，原則上還可用于可穿戴設(shè)備，比如檢測生命數(shù)據(jù)或運動數(shù)據(jù)。" 香港大學(xué)工程學(xué)院電機與電子工程學(xué)系、同時受聘于李嘉誠醫(yī)學(xué)院生物醫(yī)學(xué)學(xué)院的助理教授褚智勤表示。
▲圖 | （從左到右）香港大學(xué)機械工程系林原教授、褚智勤教授、侯勇（博后）、景紀(jì)祥（博士生）
近日，他和團(tuán)隊研發(fā)一款基于微型化氮化鎵的光學(xué)芯片，其中所使用的顯微傳感技術(shù)，是他們深耕于細(xì)胞生物傳感器領(lǐng)域的典型應(yīng)用案例。
近年來，課題組的研究方向之一，在于探索新型微納光電器件在環(huán)境監(jiān)測和生物傳感方面的應(yīng)用。其研究始終以現(xiàn)實中存在的生物醫(yī)學(xué)問題為導(dǎo)向，旨在利用革命性的光學(xué)傳感技術(shù)，來解決目前細(xì)胞生物檢測分析領(lǐng)域的難題，以期為微型化氮化鎵光學(xué)芯片在生物學(xué)上的潛在應(yīng)用做貢獻(xiàn)。
（來源：Advanced Science）
就該工作來說，他們的初衷在于開發(fā)一款簡單易用的活細(xì)胞無標(biāo)記檢測技術(shù)，以對細(xì)胞功能和微環(huán)境之間的相互作用進(jìn)行實時分析。
據(jù)介紹，活細(xì)胞無標(biāo)記檢測技術(shù)開發(fā)，一直是生物分析科學(xué)發(fā)展的熱點。傳統(tǒng)的有源標(biāo)記檢測技術(shù)，主要基于熒光分子、放射性核素等標(biāo)記分子。相比之下，無標(biāo)記檢測技術(shù)的好處在于，能最大程度減少靶分子對細(xì)胞、或組織的影響，讓樣本本征狀態(tài)下的信息得以揭示。
當(dāng)下，在主流的商業(yè)化無標(biāo)記活細(xì)胞檢測中，基于電阻抗測量的微電子傳感技術(shù)，是最具代表性的一種。其原理在于，借助活細(xì)胞和檢測板孔中微電極的相互作用，去改變電阻抗，最終對活細(xì)胞狀態(tài)進(jìn)行定量處理。
但是，這種微電場可能會給一些電信號敏感的樣品比如神經(jīng)、心肌等，帶來無法避免的干擾。最近幾年，表面等離子諧振、共振波導(dǎo)光柵等無標(biāo)記光學(xué)傳感技術(shù)，憑借其基于倏逝波的生物友好性，得到了學(xué)界的廣泛研究，已被用于生物分相互作用和活細(xì)胞活動檢測中。
▲圖 | 微型化氮化鎵芯片可用于集群細(xì)胞的粘附鋪展行為實時追蹤（來源：Advanced Science）
不過，作為一種高精密的光學(xué)測量手段，它對設(shè)備搭建、場地規(guī)模、測試環(huán)境等要求極高，也讓多場景、以及復(fù)雜環(huán)境下的推廣應(yīng)用受到限制。
基于上述問題，該團(tuán)隊和南方科技大學(xué)深港微電子學(xué)院李攜曦教授、香港大學(xué)機械工程系林原教授合作開發(fā)出一種微型光學(xué)顯微傳感系統(tǒng)，具備高度集成、低成本的 " 一體化 " 優(yōu)勢，在空間受限的高濕度細(xì)胞培養(yǎng)箱中，也能以無標(biāo)記的方式，實現(xiàn)實時監(jiān)測和分析細(xì)胞活動。
該系統(tǒng)所搭載的芯片，則具備片上光電探測能力，對于芯片表面的集群細(xì)胞活動引起的折射率變化，能夠進(jìn)行實時解讀。
另據(jù)悉，當(dāng)給該芯片集成一個微型的微分干涉顯微鏡，還可對細(xì)胞形貌和細(xì)胞運動，實現(xiàn)在線追蹤。
借助該系統(tǒng)，可對細(xì)胞行為進(jìn)行定量識別和分析，比如沉降、黏附、伸展、收縮；針對藥物活性的分析篩選、以及免疫細(xì)胞的分化進(jìn)程，也可實現(xiàn)實時的定量追蹤。
近日，相關(guān)論文以《一種多功能，生物培養(yǎng)箱可兼容的單片氮化鎵光電器件用于無標(biāo)記檢測細(xì)胞生理活動的光學(xué)芯片顯微傳感系統(tǒng)》（A Versatile, Incubator-Compatible, Monolithic GaN Photonic Chipscope for Label-Free Monitoring of Live Cell Activities）為題，發(fā)表在 Advanced Science 上 [ 1 ] 。侯勇、景紀(jì)祥擔(dān)任第一作者，褚智勤、李攜曦和林原擔(dān)任共同通訊作者。
▲圖 | 相關(guān)論文（來源：Advanced Science）
審稿人均非常欣賞此次開發(fā)的低成本、多功能的細(xì)胞功能監(jiān)測系統(tǒng)，并對能和細(xì)胞培養(yǎng)箱可兼容的 " 一體化 " 優(yōu)勢予以點贊，同時高度認(rèn)可該工作的重要性、創(chuàng)新性以及學(xué)術(shù)性。
可以 " 實時追蹤 " 免疫細(xì)胞的芯片
據(jù)了解，此次工作建立在褚智勤團(tuán)隊和李攜曦課題組之前的合作成果 " 微型化氮化鎵芯片測量液體折射率 " 的基礎(chǔ)之上 [ 2 ] 。
考慮到合作團(tuán)隊前期開發(fā)的單片集成微型化氮化鎵光電芯片，在探測外部環(huán)境的折射率上具有響應(yīng)速度快、測量精度高、探測范圍廣等一系列優(yōu)勢。同時，器件的小型化也便于其在更多場景中使用，故他們嘗試將研究方向擴展到生物醫(yī)學(xué)領(lǐng)域。
由于細(xì)胞的不同行為通常會伴隨著其內(nèi)部折射率的變化，且這種核心的生物物理指標(biāo)被廣泛用于表征細(xì)胞的生理行為和狀態(tài)。因此，雙方進(jìn)一步把研究目標(biāo)鎖定在細(xì)胞行為的監(jiān)測上，希望通過對細(xì)胞折射率的監(jiān)測，來反饋細(xì)胞對外界環(huán)境刺激下的不同反應(yīng)，進(jìn)而為生物體內(nèi)一些疾病探測和預(yù)防提供量化的詳細(xì)信息。
確定好目標(biāo)之后，他們開始進(jìn)行預(yù)實驗，首先在微型化氮化鎵芯片表面培養(yǎng)細(xì)胞，并記錄細(xì)胞在不同時間下的黏附、鋪展?fàn)顟B(tài)所對應(yīng)的芯片感應(yīng)光電流，進(jìn)而觀測光電流信號的變化規(guī)律。
▲圖 | 微型化氮化鎵芯片應(yīng)用于在線分析抗癌藥物 - 癌細(xì)胞相互作用（來源：Advanced Science）
然后，分析其是否與文獻(xiàn)報道的細(xì)胞內(nèi)折射率變化規(guī)律一致。在預(yù)實驗過程中，研究人員發(fā)現(xiàn)當(dāng)觀察不同時間下的細(xì)胞形態(tài)時，總是需要將其從細(xì)胞培養(yǎng)箱中取出，并置于顯微鏡下進(jìn)行觀察，而細(xì)胞培養(yǎng)箱內(nèi)外環(huán)境溫度差異容易造成測量信號誤差。
為解決這一問題，他們想出的策略是：搭建小型化的顯微鏡裝置，并使其能被輕松地放置于一般的細(xì)胞培養(yǎng)箱中、從而進(jìn)行實時信號探測與細(xì)胞形貌觀察。事實證明，這大大拓展了系統(tǒng)的可用性。
在預(yù)實驗中，合作團(tuán)隊遇到一個很有意思的問題：由于需要探測細(xì)胞不同生長狀態(tài)，他們最開始在細(xì)胞培養(yǎng)箱外，利用芯片對初始狀態(tài)的細(xì)胞進(jìn)行探測后，便放回到培養(yǎng)箱中進(jìn)行長時間培養(yǎng)，然后定時取出進(jìn)行測量，同時對芯片進(jìn)行光電流信號讀取，這時候測量到的光電流信號總是波動很大，且沒有規(guī)律性。
經(jīng)過反復(fù)嘗試和分析，最終發(fā)現(xiàn)是芯片自身對環(huán)境溫度比較敏感造成的。雖然這是一個很小的問題，但有時候這些小問題往往會對整個實驗造成很大的影響，這也說明在實驗中要注意每一個細(xì)節(jié)，細(xì)節(jié)往往決定成敗。
結(jié)合預(yù)實驗的結(jié)果與分析，他們又設(shè)計出一套小型化的微分干涉顯微鏡裝置，來對細(xì)胞進(jìn)行實時成像。另外，獲取的圖像也可從另一個角度證明：芯片光電流的變化是由細(xì)胞形態(tài)變化引起的，從而驗證了微型化氮化鎵芯片在探測細(xì)胞行為方面的可靠性。
此外，他們進(jìn)一步探究了不同藥物刺激下細(xì)胞的一系列行為變化，證明該芯片在藥物篩選方向上的適用性。最后，利用該芯片對免疫細(xì)胞分化的整個過程進(jìn)行監(jiān)控，實現(xiàn)了實時追蹤。
可用于癌癥初篩并計劃推廣到臨床
據(jù)介紹，片上集成化光電器件一直是生物微電子傳感領(lǐng)域的熱門方向。實現(xiàn)生物檢測設(shè)備的微型化、功能多樣化、測量高通量化一直是領(lǐng)域內(nèi)的研究難點。
基于此，該課題的后續(xù)方向主要有兩個：一是硬件制備方面，比如芯片的進(jìn)一步小型化和高通量測量。目前，研究人員所用的芯片尺寸是 1mm*1mm，比較適合研究集群細(xì)胞的行為。
但是，對于單細(xì)胞測量和多樣本同時在線測量確是無能為力的。因此，他們計劃在不影響靈敏度的前提下繼續(xù)把芯片做小，比如將尺寸縮小到 100 μ m *100 μ m。
▲圖 | 微型化氮化鎵芯片應(yīng)用于免疫細(xì)胞分化過程在線監(jiān)測。（來源：Advanced Science）
二是打算將這種芯片陣列化，從而實現(xiàn)高通量單細(xì)胞行為檢測。目前，該芯片陣列的制備已經(jīng)取得一定進(jìn)展?？赏ㄟ^芯片陣列實現(xiàn)其他的生物功能檢測，比如結(jié)合微流控實現(xiàn)對細(xì)胞折射率的高通量檢測。
利用這種方法，也能實現(xiàn)對細(xì)胞種類的鑒別比如癌細(xì)胞檢測等，這意味著它能用于癌癥的初篩，從而為臨床診斷提供量化依據(jù)。但是，如何把新技術(shù)轉(zhuǎn)化到臨床上使用，是他們接下來要追求的夢想。
參考資料：
1.Hou, Y., Jing, J., Luo, Y., Xu, F., Xie, W., Ma, L., ... & Chu, Z. ( 2022 ) . A Versatile, Incubator ‐ Compatible, Monolithic GaN Photonic Chipscope for Label ‐ Free Monitoring of Live Cell Activities. Advanced Science, 2200910.
2.ACS Appl. Mater. Interfaces 2020, 12, 44, 49748 – 49754
